大景深光學成像系統(tǒng)的研究.pdf

1、增大非相干光學成像系統(tǒng)的景深近年來一直是應用光學領域的研究熱點，這是因為大景深光學成像系統(tǒng)可以應用于很多領域，比如可以應用于機器視覺、生物或醫(yī)學顯微成像、光學遙感等領域。1960年Welford提出了利用環(huán)形孔徑增大景深。自此以后，又涌現(xiàn)出了很多方法，比如，能量吸收切趾器法，序列圖像融合法，特殊設計鏡頭結(jié)合圖像后處理法，光瞳面內(nèi)的相位模板結(jié)合圖像后處理方法，三維全息等。當前活躍研究集中在普通光學成像系統(tǒng)中引入相位模板并結(jié)合數(shù)字圖像復原技

2、術來增大光學成像系統(tǒng)的景深。在光學部分，處在光瞳面處的相位模板改變成像波前從而得到不隨離焦變化的中間圖像；在圖像處理部分，通過不依賴于聚焦狀態(tài)的數(shù)字濾波器對中間的圖像進行處理以得到大景深圖像。本文對大景深光學成像系統(tǒng)進行了研究。 ⑴基于標量衍射理論建立了大景深成像系統(tǒng)的理論模型，研究了立方相位模板和指數(shù)相位模板對應系統(tǒng)的特性。從大景深成像系統(tǒng)實際所需要的景深、分辨率以及最小幅度傳遞函數(shù)MTF響應值出發(fā)，設計了相位模板的個性化優(yōu)化

3、設計模型。在設計景深、分辨率范圍內(nèi)，以保證系統(tǒng)的MTF值大于設定的最小MTF響應值為優(yōu)化邊界條件，以不同離焦對應的光學傳遞函數(shù)的Fisher信息的積分作為優(yōu)化目標函數(shù)。對波前編碼系統(tǒng)的立方相位模板CPM和指數(shù)相位模板EPM進行了幾組優(yōu)化設計。 ⑵基于非相干大景深光學成像系統(tǒng)的點擴散函數(shù)的離焦不變性，并利用穩(wěn)相法積分近似方法，推導出四次多項式圓對稱相位模板，并利用優(yōu)化模型得到了幾組優(yōu)化參數(shù)。設計了一種新的由多個等面積環(huán)形區(qū)域組成的

4、純相位模板，相鄰的環(huán)形分區(qū)用于交替補償高斯物面兩側(cè)離焦。通過適當調(diào)整模板參數(shù)，可以使得系統(tǒng)景深達到原來的4倍以上?？偨Y(jié)了方形孔徑相位模板和圓對稱型相位模板對應系統(tǒng)的優(yōu)缺點。 ⑶研究了處在像差容限值范圍內(nèi)的初級像差對相位模板對應大景深成像系統(tǒng)的影響。基于頻域濾波理論和大景深成像系統(tǒng)的光學傳遞函數(shù)，設計了大景深圖像復原濾波器的表達式，可以實現(xiàn)對景深范圍內(nèi)得到的所有中間圖像進行復原。最后，在光學設計軟件Zemax中設計了利用文中幾種相